高溫后花崗巖的物理力學(xué)特性試驗(yàn)研究

吳陽春，郤保平,2，王磊，牛新明，王帥，趙陽升,2

(1.太原理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，山西 太原，030024；2.太原理工大學(xué) 原位改性采礦教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原，030024；3.中國(guó)石油化工股份有限公司 石油工程技術(shù)研究院，北京，100101)

地?zé)崮芤蚓哂袃?chǔ)量豐富、利用穩(wěn)定、清潔高效的特點(diǎn)被世界各國(guó)認(rèn)為是未來能源出路之一[1]。我國(guó)地?zé)崮荛_發(fā)利用“十三五”規(guī)劃的發(fā)布和青海共和干熱巖地?zé)崾痉豆こ痰呐d起，為地?zé)衢_發(fā)及研究提供了一個(gè)良好的基礎(chǔ)。干熱巖地?zé)崮苤饕A藏在花崗巖內(nèi)[1]，高溫地?zé)崽镌阢@井施工、人工熱儲(chǔ)建造和采熱運(yùn)營(yíng)期間不斷冷卻，因此，高溫或高溫后花崗巖物理力學(xué)特性的研究具有一定意義。目前，高溫后花崗巖的力學(xué)特性研究成果較多。如：朱振南等[2]研究了高溫500 ℃范圍內(nèi)花崗巖遇水冷卻后的物理力學(xué)特性。方新宇等[3]分析了25～1 000 ℃高溫后花崗巖的抗拉強(qiáng)度及熱損傷特性。胡少華等[4]進(jìn)行了北山花崗巖熱處理后的變形特性試驗(yàn)與損傷力學(xué)分析研究。徐小麗等[5-7]研究了高溫后花崗巖單軸抗壓強(qiáng)度及三軸抗壓強(qiáng)度的變化規(guī)律。孫強(qiáng)等[8]研究了巖石高溫相變及物理力學(xué)性質(zhì)變化。許錫昌等[9-10]研究了高溫下花崗巖的基本力學(xué)性質(zhì)并進(jìn)行了損傷分析，認(rèn)為75 ℃和200 ℃分別為彈性模量和抗壓強(qiáng)度的門檻溫度。梁銘等[11]研究了不同冷卻方式對(duì)高溫花崗巖抗拉強(qiáng)度的影響。KUMARI等[12-14]研究了不同冷卻方式對(duì)高溫Strathbogie花崗巖的力學(xué)強(qiáng)度、滲流特性、聲學(xué)響應(yīng)和微觀結(jié)構(gòu)的作用規(guī)律。PENG 等[15]研究了600 ℃內(nèi)高溫粗粒大理巖自然冷卻后的單軸抗壓強(qiáng)度。CHEN 等[16]研究了從室溫到800 ℃范圍內(nèi)以1～15 ℃/min的不同加熱速率對(duì)花崗巖強(qiáng)度的影響，認(rèn)為5 ℃/min的加熱速率是判斷花崗巖是否產(chǎn)生熱沖擊損傷的臨界加熱速率。目前，有關(guān)花崗巖的剪切強(qiáng)度及參數(shù)的研究較少，特別是高溫后花崗巖的剪切強(qiáng)度，而實(shí)際工程失穩(wěn)問題常常涉及壓剪破壞。針對(duì)這一問題，本文作者以青海共和盆地干熱巖地?zé)崾痉豆こ虨楸尘?，通過單軸壓縮、巴西劈裂、變角剪切試驗(yàn)來研究高溫600 ℃范圍內(nèi)青海共和花崗巖的物理力學(xué)特性，以期揭示熱對(duì)花崗巖強(qiáng)度劣化的規(guī)律，為青海共和干熱巖地?zé)衢_發(fā)提供指導(dǎo)意義。試驗(yàn)溫度范圍選取由中國(guó)地溫梯度分布[17]和國(guó)內(nèi)外大陸科考鉆井深度[18]共同確定。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件制備

花崗巖樣品取自青海共和盆地龍才溝露頭地帶，為印支期的灰白色中粗粒黑云母花崗巖，實(shí)測(cè)密度為2.65～2.67 g/cm3。其主要礦物成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))如下：斜長(zhǎng)石，40%～50%；石英，20%～25%；黑云母，5%～10%[19]。單軸壓縮、巴西劈裂分別采用直徑×長(zhǎng)度為50 mm×100 mm 和50 mm×25 mm 的圓柱體試件，變角剪切試驗(yàn)采用長(zhǎng)×寬×高為50 mm×50 mm×50 mm的正方體試件。使用水刀切割機(jī)、取芯鉆機(jī)和砂帶磨石機(jī)加工上述試件，其加工精度及尺寸均滿足ISRM標(biāo)準(zhǔn)。試件表面光滑平整、無明顯缺陷，同一狀態(tài)條件下所用試件數(shù)量均為3個(gè)，試件如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)試件Fig.1 Experimental specimens

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

花崗巖的質(zhì)量和體積分別采用精度為0.01 g的電子秤和精度為0.02 mm的游標(biāo)卡尺測(cè)定。高溫?zé)崽幚聿捎肧X2-12-12A型自帶編程控溫加熱的馬弗爐，溫控精度為±5 ℃。力學(xué)試驗(yàn)采用微機(jī)控制電液伺服試驗(yàn)機(jī)，量程為0～600 kN。

1.3 試驗(yàn)步驟及方案

1)將單軸壓縮、巴西劈裂和變角剪切對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)試件組合后均分為7組，將每組試件稱量和測(cè)量尺寸，并記錄相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)。2)將其中6組試件置于馬弗爐內(nèi)以3～5 ℃/h 的加熱速率分別加熱至250，300，350，400，500 和600 ℃后，恒溫3 h，然后從馬弗爐內(nèi)取出試件置于空氣中，冷卻至室溫，并對(duì)冷卻后的試件重新稱重和測(cè)量尺寸，記錄相關(guān)數(shù)據(jù)。最后1組試件不進(jìn)行熱處理，為對(duì)照組。3)將高溫處理后的6組試件和常溫對(duì)照組試件依次在伺服試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行單軸壓縮(直徑×長(zhǎng)度為50 mm×100 mm)、巴西劈裂(直徑×長(zhǎng)度為50 mm×25 mm)、變角剪切(長(zhǎng)×寬×高為50 mm×50 mm×50 mm)試驗(yàn)，其加載速率分別為0.001，0.001 和0.002 mm/s。變角剪切試驗(yàn)采用45°，55°和65°這3個(gè)剪切角度。

2 物理試驗(yàn)結(jié)果及分析

圖2(a)～(c)所示分別為高溫后花崗巖質(zhì)量損失率、體積膨脹率和密度變化率與溫度的關(guān)系。由圖2(a)可知：試件質(zhì)量損失率隨溫度升高單調(diào)遞增，但可細(xì)分為3個(gè)階段：300 ℃之前，質(zhì)量損失率增長(zhǎng)明顯，質(zhì)量減少，其原因是試件內(nèi)部附著水和強(qiáng)結(jié)合水的逸出和蒸發(fā)。在300～400 ℃范圍內(nèi)，質(zhì)量損失率增長(zhǎng)緩慢，其原因是少部分弱結(jié)合水開始逸出。在400～600 ℃范圍內(nèi)，質(zhì)量損失率明顯變大，其原因是試件內(nèi)部弱結(jié)合水和結(jié)構(gòu)水的逸出及部分礦物熱解，試件質(zhì)量進(jìn)一步降低。由圖2(b)可知：在250～600 ℃范圍內(nèi)，試件體積膨脹率隨溫度升高單調(diào)遞增，但300 ℃之前，體積膨脹率為負(fù)值，表明試件收縮，體積變小，其主要原因是受熱膨脹使得試件內(nèi)部的微裂紋被壓密實(shí)；300 ℃之后，試件體積膨脹率為正值，試件體積變大，尤其是500～600 ℃試件體積膨脹率明顯變大，主要原因是石英發(fā)生相變，由α 石英變?yōu)棣率?，試件體積增大。由圖2(c)可知；試件密度變化率隨溫度升高而降低，300 ℃之前，密度變化率為正值，密度變大，300 ℃之后，密度變化率為負(fù)值，密度變小。密度是質(zhì)量與體積的函數(shù)，在300 ℃之前，密度變大，說明微裂隙的壓密引起的體積變小比質(zhì)量降低的比例大，密度增加可以解釋300 ℃之前存在一個(gè)強(qiáng)度強(qiáng)化現(xiàn)象。同時(shí)在500～600 ℃時(shí)試樣密度降低顯著，是質(zhì)量變小和體積增大的共同作用的結(jié)果。300 ℃之前存在一個(gè)體積變小，密度變大的區(qū)間與徐小麗等[15]的結(jié)果一致。

圖2 高溫后花崗巖物理性質(zhì)與溫度的關(guān)系Fig.2 Relationship between physical properties of granite and temperature

3 力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 單軸壓縮試驗(yàn)

單軸壓縮試驗(yàn)通常采用高徑比為2:1的標(biāo)準(zhǔn)圓柱體試件(直徑×長(zhǎng)度為50 mm×100 mm)，按一定的加載速率軸向加載至試件破裂，巖石單軸抗壓強(qiáng)度計(jì)算公式如下：

式中：σc為巖石抗壓強(qiáng)度，MPa；P為試件破壞時(shí)的最大載荷，N；A1為試件橫截面積，mm2。

3.1.1 應(yīng)力-應(yīng)變曲線隨溫度的關(guān)系

圖3所示為高溫花崗巖自然冷卻后全應(yīng)力-應(yīng)變曲線，表1所示為單軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果。由圖3可以看出試件從加載到破壞可分為3個(gè)階段。

圖3 高溫花崗巖自然冷卻后全應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.3 Stress-strain curves of high temperature granite after natural cooling

1)微裂隙壓密階段。這一階段應(yīng)力應(yīng)變曲線呈上凹，該現(xiàn)象說明較小的應(yīng)力產(chǎn)生較大的應(yīng)變量，其主要原因是試件內(nèi)部的微裂隙被壓密實(shí)，壓密階段隨著溫度升高明顯變長(zhǎng)，表明熱破裂現(xiàn)象隨溫度升高明顯加劇，試件內(nèi)部的微裂隙變多，特別是在500～600 ℃，微裂隙壓密階段明顯變長(zhǎng)，其本質(zhì)是石英晶體發(fā)生相變，由α石英轉(zhuǎn)變?yōu)棣?石英，這跟GE 等[20]發(fā)現(xiàn)石英產(chǎn)生相變的臨界溫度為573 ℃相一致。

2)彈性變形階段。該階段應(yīng)力-應(yīng)變曲線滿足線性關(guān)系，即胡克定律σ=Eε。彈性模量采用直線段的斜率表示，為切線彈性模量。

3)屈服破壞階段。此階段試件表面開始出現(xiàn)明顯裂紋，并伴隨有大量的聲響出現(xiàn)，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到峰值強(qiáng)度時(shí)，裂紋基本貫穿整個(gè)試件，試件破壞，如圖4所示。

表1 單軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果Table 1 Test results of uniaxial compression experiments

圖4 單軸壓縮破壞圖Fig.4 Uniaxial compression failure picture

3.1.2 抗壓強(qiáng)度隨溫度的關(guān)系

圖5所示為抗壓強(qiáng)度和峰值載荷與溫度的關(guān)系圖像。由圖5和表1可知：高溫花崗巖自然冷卻后抗壓強(qiáng)度與峰值載荷都隨溫度升高先變大后變小，這與徐曉麗等[7]試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)花崗巖在200～600 ℃范圍內(nèi)存在強(qiáng)度隨溫度升高不降反升的異常現(xiàn)象相一致。在250～300 ℃范圍內(nèi)，試件的抗壓強(qiáng)度比常溫的高，從微觀上考慮這主要是高溫處理后，礦物顆粒間的熱膨脹作用產(chǎn)生的熱應(yīng)力小于顆粒間的膠結(jié)力，使得花崗巖內(nèi)部的微裂隙被壓密實(shí)，試件抗壓強(qiáng)度增大；300 ℃之后，顆粒間的熱膨脹產(chǎn)生的熱應(yīng)力大于礦物顆粒間的膠結(jié)力，從而表現(xiàn)出力學(xué)性能的劣化。從宏觀上解釋是300 ℃內(nèi)高溫使花崗巖內(nèi)部有限的附著水、結(jié)合水蒸發(fā)，這對(duì)強(qiáng)度的提升作用大于熱對(duì)花崗巖的劣化作用，產(chǎn)生一個(gè)強(qiáng)度強(qiáng)化現(xiàn)象，300 ℃以后試件內(nèi)部水分基本耗盡，熱的劣化占主導(dǎo)作用，整體上體現(xiàn)為花崗巖力學(xué)性能劣化，這與杜守繼等[21]的結(jié)論一致。試件抗壓強(qiáng)度從室溫時(shí)的132.15 MPa 降低為600 ℃時(shí)的71.49 MPa，降低了60.66 MPa，衰減了45.9%。從圖3可知：峰值應(yīng)變由室溫的1.447%增加到600 ℃時(shí)的2.480%，峰值應(yīng)變?cè)黾恿?.033%，增幅為71.4%。說明達(dá)到一定溫度之后，隨著溫度的升高，熱對(duì)花崗巖強(qiáng)度的劣化作用明顯，花崗巖由脆性向延性轉(zhuǎn)變。400～600 ℃的峰值應(yīng)變及壓密段長(zhǎng)度有顯著增長(zhǎng)，可視400～600 ℃為花崗巖脆性向延性轉(zhuǎn)變的臨界溫度區(qū)域。

圖5 抗壓強(qiáng)度和峰值載荷與溫度的關(guān)系Fig.5 Relationship between of compressive strength and peak load with temperature

3.1.3 彈性模量隨溫度的關(guān)系及損傷分析

圖6所示為彈性模量及ET/E0(ET/E0定義為任意溫度下的彈性模量(ET)與常溫下彈性模量(E0)的比值)與溫度的關(guān)系。由圖6可知：隨著溫度升高，彈性模量單調(diào)遞減，彈性模量從室溫的14.79 GPa降為600 ℃的6.72 GPa，降幅達(dá)54.6%。采用ET/E0對(duì)高溫花崗巖自然冷卻后的彈性模量進(jìn)行量綱一化處理，ET/E0反映了彈性模量隨溫度的變化趨勢(shì)。從ET/E0可知，600 ℃的彈性模量?jī)H為常溫時(shí)的0.45倍，說明高溫對(duì)彈性模量影響顯著且成反比。

圖6 彈性模量及ET/E0與溫度的關(guān)系Fig.6 Relationship between of elastic modulus and ET/E0 with temperature

為描述高溫花崗巖自然冷卻后力學(xué)性能劣化程度，采用劉泉聲等[10]基于彈性模量的損傷因子來定義自然冷卻后花崗巖的損傷程度。損傷因子計(jì)算公式如下：

式中：DE(T)為T溫度自然冷卻后基于彈性模量的損傷因子；E(T)為T溫度自然冷卻后試件的彈性模量；E(0)為常溫試件的彈性模量。

圖7所示為損傷因子與溫度的關(guān)系曲線。由圖7可知：基于彈性模量的損傷因子隨溫度升高單調(diào)遞增，250 ℃之后顯著增大。根據(jù)單軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果可知：300 ℃之前因水分的蒸發(fā)和逸出，巖石抗壓強(qiáng)度增大，水的耗散對(duì)巖石的強(qiáng)度變化起主要作用，熱對(duì)巖石的損傷作用是次要的，故基于彈性模量的損傷因子不能很好地反映熱損傷程度；300 ℃之后，熱對(duì)巖石強(qiáng)度劣化起主要作用，故采用彈性模量的損傷因子能較好的反映熱損傷的趨勢(shì)，在400～600 ℃范圍內(nèi)，可以較好地反映熱對(duì)巖石極限強(qiáng)度劣化的程度。

3.2 巴西劈裂試驗(yàn)

根據(jù)彈性力學(xué)解析解可知，徑向受壓的圓盤，在受壓平面垂直方向上存在大小相當(dāng)?shù)睦瓚?yīng)力。試件抗拉強(qiáng)度可采用下式計(jì)算：

圖7 損傷因子與溫度關(guān)系Fig.7 Relationship between damage factor and temperature

式中：σt為巖石抗拉強(qiáng)度，MPa；D為試件直徑，mm；t為試件厚度，mm。

圖8所示為巴西劈裂實(shí)物圖，表2所示為巴西劈裂試驗(yàn)結(jié)果，圖9所示為高溫后花崗巖載荷-徑向位移曲線，圖10所示為高溫花崗巖抗拉強(qiáng)度及峰值載荷隨溫度的變化。

圖8 巴西劈裂實(shí)物圖Fig.8 Picture of Brazilian splitting experiment

由圖10可知：抗拉強(qiáng)度和峰值載荷隨溫度升高先變大后變小。250 ℃之前強(qiáng)度輕微上升與密度變化相一致，說明熱膨脹產(chǎn)生的熱應(yīng)力小于顆粒間的膠結(jié)力，試件被壓密實(shí)，強(qiáng)度提高。高溫作用后花崗巖的抗拉強(qiáng)度從室溫的10.68 MPa 降為600 ℃的2.49 MPa，降幅達(dá)76.7%，這一比例說明抗拉強(qiáng)度受溫度影響顯著。

表2 巴西劈裂試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Test results of Brazilian spitting experiments

圖9 高溫后花崗巖載荷-徑向位移曲線Fig.9 Load-radial displacement curves of granite after high temperature

圖10 高溫花崗巖抗拉強(qiáng)度及峰值載荷與溫度關(guān)系Fig.10 Relationship among tensile strength,peak load of high temperature granite and temperature

3.3 變角剪切試驗(yàn)

考慮承壓板與剪切模具間的摩擦力，試件被剪斷時(shí)，作用在破壞面上的剪應(yīng)力τ和正應(yīng)力σ分別為：

式中：A2為剪切破壞面的面積，mm2；α為模具傾角，(°)；f為承壓板與模具間的滾動(dòng)摩擦因數(shù)，f=1/(nd)；n為滾軸數(shù)量；d為滾軸直徑。

圖11所示為剪切試驗(yàn)圖。通過改變模具傾角，獲得不同剪切角度下的正、剪應(yīng)力，并在τ-σ坐標(biāo)系中繪出，根據(jù)庫侖準(zhǔn)則：

采用式(6)進(jìn)行線性擬合得到巖石抗剪強(qiáng)度曲線，曲線的截距和斜率分別為內(nèi)聚力C和內(nèi)摩擦角φ。表3所示為高溫花崗巖自然冷卻后剪切試驗(yàn)結(jié)果。

3.3.1 剪切參數(shù)與溫度的關(guān)系

圖12所示為高溫花崗巖自然冷卻后抗剪強(qiáng)度曲線，圖13所示為剪切參數(shù)隨溫度變化關(guān)系。從圖13可知：內(nèi)聚力隨溫度的升高先變大后變小，內(nèi)摩擦角隨溫度升高而變大。室溫～300 ℃內(nèi)花崗巖的內(nèi)聚力有一個(gè)明顯的增長(zhǎng)，300 ℃時(shí)達(dá)到最大值，比常溫狀態(tài)下增長(zhǎng)12.116 MPa，增幅為18.5%，這是由于溫度升高礦物顆粒間的熱膨脹作用產(chǎn)生的體積膨脹將試件內(nèi)部的微裂隙壓密實(shí)，且熱膨脹應(yīng)力小于礦物顆粒間的膠結(jié)力，這樣在試件整體上產(chǎn)生一個(gè)強(qiáng)化作用，300 ℃以后，受溫度影響產(chǎn)生的熱膨脹應(yīng)力大于礦物顆粒間的膠結(jié)力，顆粒間膠結(jié)處產(chǎn)生微裂紋，試件強(qiáng)度產(chǎn)生明顯降低，內(nèi)聚力降低。300～400 ℃這一范圍內(nèi)內(nèi)聚力降低顯著，高達(dá)27.704 MPa，說明300 ℃后熱破裂占主導(dǎo)作用，熱對(duì)巖石強(qiáng)度降低作用明顯。內(nèi)聚力從室溫的65.496 MPa 降為600 ℃的28.20 MPa，降幅達(dá)56.9%。內(nèi)摩擦角在250～600 ℃范圍內(nèi)是緩慢增大的，內(nèi)摩擦角在250～300 ℃范圍內(nèi)增長(zhǎng)最快，高達(dá)5.6°，可見溫度變化對(duì)花崗巖剪切參數(shù)有顯著影響。這一結(jié)論說明干熱巖地?zé)衢_發(fā)考慮溫度對(duì)工程參數(shù)的選取具有實(shí)際意義。

圖11 剪切試驗(yàn)圖Fig.11 Pictures of shear experiment

表3 高溫花崗巖自然冷卻后剪切試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Shear test results of high temperature granite after air cooling

圖12 高溫花崗巖自然冷卻后抗剪強(qiáng)度曲線Fig.12 Shear strength curves of high temperature granite after natural cooling

圖13 剪切參數(shù)隨溫度變化關(guān)系Fig.13 Relationship between shear parameters and temperature

3.3.2 高溫后剪切作用下試件變形特征分析

圖14(a)～(g)所示分別為室溫～600 ℃花崗巖自然冷卻后的剪應(yīng)力-剪應(yīng)變曲線，應(yīng)力-應(yīng)變曲線大致分為3個(gè)階段：壓密階段、彈性階段、屈服破壞階段。

從圖14可知：同一溫度下，隨著剪切角度的增大，壓密階段和彈性階段都呈縮短的趨勢(shì)，峰值剪應(yīng)變變小。式(4)和式(5)可解釋這一現(xiàn)象，隨著剪切角度增大，應(yīng)力分解中剪應(yīng)力占比增大，在較小的載荷范圍內(nèi)，剪應(yīng)力與正應(yīng)力作用在剪切面上的摩擦力之差大于內(nèi)聚力，試件破壞且破壞時(shí)對(duì)應(yīng)的峰值應(yīng)力、峰值應(yīng)變相應(yīng)變小。同一剪切角度下，峰值應(yīng)變與溫度的關(guān)系總的趨勢(shì)是隨溫度的升高，峰值應(yīng)變逐漸增大，但由于巖石的非均質(zhì)性，礦物組分的差異，個(gè)別溫度下變小，但總的趨勢(shì)是符合規(guī)律的。其次，同一角度下，隨著溫度升高，壓密段應(yīng)變?cè)龃竺黠@。根據(jù)峰值應(yīng)變及壓密段長(zhǎng)度隨溫度的變化關(guān)系，認(rèn)為400～600 ℃是花崗巖脆性向延性轉(zhuǎn)變的臨界溫度范圍。以45°剪應(yīng)力-應(yīng)變?yōu)槔?00和600 ℃的壓密段對(duì)應(yīng)的應(yīng)變分別約為2.5%和3.0%，增幅為20%，峰值應(yīng)變分別為5.1%和6.3%，增幅為23.5%?？梢?00～600 ℃存在一個(gè)顯著的熱破裂現(xiàn)象，這與林睦曾[22]發(fā)現(xiàn)將花崗巖加熱到573 ℃時(shí)，石英相變，由α-石英轉(zhuǎn)變?yōu)棣?石英，巖石變得疏松，強(qiáng)度降低相吻合。

3.3.3 高溫后剪切角度對(duì)峰值應(yīng)力的影響

圖15所示為同一角度下峰值應(yīng)力與溫度的關(guān)系。從圖15可知：1)同一剪切角度下，隨著溫度的升高峰值正應(yīng)力與剪應(yīng)力都呈先增大后降低的趨勢(shì)；2)忽略巖樣的差異，在同一溫度下，試件的內(nèi)聚力相同，但由于剪切角度不同，試件破壞時(shí)的峰值剪應(yīng)力相差很大，其主要原因是：由于角度增大，根據(jù)力的分解可知剪切面上的正應(yīng)力減小，相應(yīng)的剪切面上的摩擦力也減小，最終表現(xiàn)為峰值剪應(yīng)力降低。這說明必須考慮正應(yīng)力對(duì)剪應(yīng)力的影響，而不能簡(jiǎn)單地考慮內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角的影響。

從圖15可以看出：45°～55°(前10°)和55°～65°(后10°)這2個(gè)10°變化范圍內(nèi)，前10°相比后10°的峰值正應(yīng)力和剪應(yīng)力降低顯著(300 ℃除外)，在350 ℃時(shí)，前10°范圍內(nèi)，正應(yīng)力降低了64.90 MPa，剪應(yīng)力降低了36.45 MPa，后10°范圍內(nèi)，正應(yīng)力降低了25.73 MPa，剪應(yīng)力降低了8.53 MPa，可見前10°下正應(yīng)力和剪應(yīng)力的降低值分別為后10°應(yīng)力差的2.52 倍和4.27 倍。圖16所示為前后10°峰值應(yīng)力降低比與溫度的關(guān)系。由圖16可知：除去300 ℃這一角度異常值，前后10°平均正應(yīng)力差的比值為2.05，平均剪應(yīng)力差的比值為2.06，同時(shí)可以看出隨溫度升高，峰值應(yīng)力比先增大后降低，且恒大于1。這一現(xiàn)象說明剪切角度的低度數(shù)變化對(duì)正應(yīng)力和剪應(yīng)力影響顯著。

圖14 高溫花崗巖自然冷卻后剪應(yīng)力-剪應(yīng)變曲線Fig.14 Curves of shearing stress-strain of high temperature granite after natural cooling

圖15 同一角度下峰值應(yīng)力與溫度的關(guān)系Fig.15 Relationship between peak stress and temperature under the same shear angle

圖16 前后10°峰值應(yīng)力降低比和溫度關(guān)系Fig.16 Relationship between peak stress reduction ratio(10°before and after)and temperature

4 結(jié)論

1)花崗巖的質(zhì)量、體積和密度隨溫度變化大致可分為3個(gè)階段：室溫～300 ℃時(shí)，附著水和結(jié)合水蒸發(fā)，質(zhì)量急劇減少，體積收縮，密度變大；在300～500 ℃時(shí)，弱結(jié)合水喪失，質(zhì)量輕微損失，體積膨脹，密度變??；在500～600 ℃時(shí)，水分進(jìn)一步失去，石英相變，體積膨脹，密度變小。

2) 在300 ℃之前，試件的抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度(內(nèi)聚力)相較于常溫試件存在一個(gè)強(qiáng)化區(qū)域，300 ℃以后，隨溫度升高，抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度(內(nèi)聚力)都呈現(xiàn)降低趨勢(shì)。彈性模量隨溫度升高單調(diào)遞減。在250～600 ℃時(shí)，內(nèi)摩擦角隨溫度升高單調(diào)遞增。400～600 ℃可視為花崗巖從脆性向延性轉(zhuǎn)變的臨界溫度范圍。

3)從室溫～600 ℃，抗壓強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度(內(nèi)聚力)和抗拉強(qiáng)度分別衰減了45.9%，56.9%和76.7%，說明高溫對(duì)花崗巖極限強(qiáng)度影響從大到小依次為：抗拉強(qiáng)度，抗剪強(qiáng)度，抗壓強(qiáng)度。

4)基于彈性模量的損傷因子僅在熱對(duì)巖石強(qiáng)度劣化起主要作用的溫度階段才能較好地反映強(qiáng)度損傷趨勢(shì)及程度。